东华大学武培怡教授团队《Joule》:高功率密度和高强韧力学性能的离子热电池

文摘   2024-07-13 08:30   广东  

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引言

可穿戴电子产品随着物联网市场的快速增长无处不在,这些产品需要电源支撑,因此能够连续工作且能够机械地适应动态人机界面的电池成为研究的热点。与许多需要定期充电的电源,包括电容器、太阳能电池和锂电池相比,半导体热电发电机和热电池在通过持续收集低品位热能提供可持续电力方面具有优势。但是,无机半导体热电发电机的潜在毒性、机械脆性和合成难度阻碍了其在可穿戴电子系统中的应用。液态热电池因其生态友好、可塑形液态电解质和相对较高的热功率(塞贝克系数)的特性有望成为物联网时代新型电源的候选产品。但一些有机固态离子热电材料则主要受限于功率密度低和力学脆弱的缺点。

东华大学武培怡教授团队受生物组织中拓扑纠缠多网络的启发,自主开发双交联网络结构,解决当前准固态热电池中的机械性能不足及热电性弱的问题。第一网络结构增大热功率且拉伸卷曲链,为第二网络提供支撑。第二柔性网络结构与第一网络相辅相成,用以增加其机械性能。目前所知,这是第一代可拉伸和坚韧的准固态热电池。

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过程

这项工作提出的主要设计原则包括,(1) 第一重溶胀的网络以增加刚度,而第二重网络提供了可拉伸性;(2) 不同网络之间存在协同作用以增强韧性;(3) 强大的网络能够负载高浓度的电解质;(4) 为了增大热电势(thermopower),优选能够与载流子离子有相互作用的化学网络。因此,他们设计了经典的聚合物双网络结构,其中2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体与离子电对[Fe(CN)64/Fe(CN)63]具有不同的分子间相互作用,可以放大离子电对的熵差异,从而提高热电势。整体聚合物网络具有耐高盐浓度的特性,能够提供有效的拉伸性、高力学强度、和高韧性。

1. 双网络离子热电池的设计机理和实物照片。

通过调节离子电对的浓度,优化其在聚合物网络中的传输效率,他们获得了高的热电势、高有效离子电导率、和高的输出功率。在40 K温差下,最大输出功率密度可达0.61 mW m-2 K-2

2. 离子热电池的热电性能评估。

不同于此前类似果冻易碎的有机离子热电材料,这一双网络离子热电池具有强韧的力学性能,可以媲美软骨的韧性。一片3mm厚度、5 mm宽度的材料可以直接提起一袋1.5 公斤的橘子。

3. 离子热电池的力学性能和综合性能评估。

离子热电池可以对外电路持续供电,即使在被用刀片切割、被拉伸、被弯曲的过程中,也能持续稳定输出电压和电流。

4. 离子热电池的在变形过程中输出的电压、电流和功率评估。

5. 离子热电池持续供电的示意效果。



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总结

热电偶具有持续收集废热为无处不在的电子设备供电的巨大潜力,但它们的集成受到泄漏风险和液体电解质机械性能差的阻碍。本研究设计了双化学交联网络,以解决机械挑战,同时提高功率密度。这是第一代可拉伸且坚韧的固态离子热电池。这项工作打破了热电偶的机械局限性,可以启发许多电池功能装置的结构和材料设计,有利于在物联网时代实现可持续的自供电可穿戴电子产品


原文链接:

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00291-9


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